Schwarmnavigationssystem aus Sensoren, Rovern und Astronauten

Das am Institut entwickelte Schwarmnavigationssystem ermöglicht zum Beispiel die Erkundung der Oberfläche von Mond und Mars. Es funktioniert aber auch in Lavahöhlen oder komplexen Umgebungen auf der Erde, wo konventionelle Systeme wie zum Beispiel Satelliten-Navigation nicht zur Verfügung stehen.

»Jeder Roboter, Sensor oder Astronaut wird zum Teilnehmer eines Netzwerks und gibt Informationen an die Nachbarn weiter. Über die Laufzeit des Funksignals zwischen den Teilnehmern bestimmen wir die Abstände untereinander. Mit unserem Verfahren bestimmen wir die exakte Position der Teilnehmer innerhalb des Netzwerks«, erklärt Projektleiter Dr. Emanuel Staudinger vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. »Das System arbeitet dezentral, benötigt keinerlei Infrastruktur und ist unter anderem auf eine Vielzahl an Teilnehmern ausgelegt.«

Test in realistischer Mondumgebung

Emanuel Staudinger und sein Team haben das Schwarmnavigationssystem in den vergangenen Jahren auf dem Vulkan Ätna (Italien) oder in einer Lavahöhle auf Lanzarote (Spanien) erprobt. Nun konnte die Schwarmnavigation in der Luna-Halle in einer realistischen Mondumgebung erstmals erfolgreich getestet werden. Die Luna-Halle, die im September 2024 am DLR-Standort in Köln eröffnet wurde, simuliert die Verhältnisse auf der Mondoberfläche. »Das Forschungszentrum – ein Gemeinschaftsprojekt von DLR und der Europäischen Weltraumorganisation ESA – kann Astronautinnen und Astronauten oder Roboter für den Einsatz auf dem Mond vorbereiten«, erklärt Dr. Thomas Uhlig von der Luna-Projektleitung. »Die Kolleginnen und Kollegen des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation gehören zu den Ersten, die in unserer Anlage forschen. Inzwischen haben wir viele Anfragen aus den unterschiedlichsten Gebieten für Luna. Die Zukunft wird spannend.«

Der Rover befindet sich hier in einem Bereich der Luna-Halle, der um 3 m abgesenkt ist. Hier kann zum Beispiel die Exploration von Kratern oder das Abwerfen von Sensoreinheiten in schwierigen Umgebungen getestet werden. © DLR

Die Wissenschaftler haben in der Luna-Halle mehrere Szenarien dargestellt, unter anderem dieses: Ein Lander kommt auf der Mondoberfläche an und setzt zunächst zwei Rover aus. Der erste Rover hat die Aufgabe, sogenannte Funk-Baken rund um den Lander zu platzieren. Diese Sensor-Einheiten übernehmen sofort erste Navigationsaufgaben. Bei seinen Erkundungsfahrten entdeckt der Rover einen Krater und stellt fest, dass er in diesen nicht hinunterfahren kann. Er muss den zweiten Rover zur Hilfe holen. Der Krater ist in einem Bereich der Luna-Halle, in dem der Boden um 3 m abgesenkt ist. Der zweite Rover findet über das Navigationssystem allein zum Krater und führt seine wissenschaftlichen Untersuchungen durch. Während der Fahrt in den Krater unterstützt der erste Rover vom Kraterrand aus den zweiten Rover bei der Orientierung

In einem anderen Szenario ging es um das Ausbringen von Sensor-Einheiten in einem Bereich, der für Rover zu steil ist. Bis zu 50 Sensoren wurden verteilt und haben sich zu einem Netzwerk für die Navigation verbunden. Auch fliegende Einheiten oder das Abwerfen der Sensoren in einen unzugänglichen Krater wurden getestet.

3D-Modell der Regolith-Oberfläche erstellt

Neben den Navigations-Experimenten hat das Team ein 3D-Modell der Halle und des Bodens für Simulationen und die Überprüfung von Messdaten angefertigt. Ein Großteil der Luna-Halle ist mit einer Schicht aus Regolith-Simulat (‚Mondstaub‘) bedeckt. Die Mischung hat ähnliche chemische, physikalische und geotechnische Eigenschaften wie der Regolith, der mit den Apollo-Missionen zur Erde gebracht wurde.

Das DLR-Forschungsteam wird nun die Daten detailliert auswerten und das Schwarmnavigationssystem weiterentwickeln. Ziel ist, dass diese Art der robusten dezentralen Navigation und Kommunikation künftig Astronauten sowie Robotern bei der Exploration des Mondes zur Verfügung steht – und gleichzeitig auf der Erde bei der Erkundung von schwierigem Terrain hilft.